记一次 .NET 某新能源汽车锂电池检测程序 UI挂死分析

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1. 讲故事

这世间事说来也奇怪，近两个月有三位朋友找到我，让我帮忙分析下他的程序hangon现象，这三个dump分别涉及：医疗，新能源，POS系统。截图如下：

那这篇为什么要拿其中的 新能源 说事呢？因为这位朋友解决的最顺利，在提供的一些线索后比较顺利的找出了问题代码。

说点题外话，我本人对 winform 是不熟的，又奈何它三番五次的出现在我的视野里，所以我决定写一篇文章好好的总结下，介于没有太多的参考资料，能力有限，只能自己试着解读。

二： Windbg 分析

1. 程序现象

开始之前先吐槽一下，这几位大佬抓的dump文件都是 wow64，也就是用64bit任务管理器抓了32bit的程序，见如下输出：


wow64cpu!CpupSyscallStub+0x9:
00000000`756d2e09 c3              ret

所以就不好用 windbg preview 来分析了，首先要用 !wow64exts.sw 将 64bit 转为 32bit ，本篇用的是 windbg10，好了，既然是UI卡死，首当其冲就是要看一下UI线程到底被什么东西卡住了，可以用命令 !clrstack 看一下。


0:000:x86> !clrstack 
OS Thread Id: 0x1d90 (0)
Child SP       IP Call Site
0019ee6c 0000002b [HelperMethodFrame_1OBJ: 0019ee6c] System.Threading.WaitHandle.WaitOneNative(System.Runtime.InteropServices.SafeHandle, UInt32, Boolean, Boolean)
0019ef50 6c4fc7c1 System.Threading.WaitHandle.InternalWaitOne(System.Runtime.InteropServices.SafeHandle, Int64, Boolean, Boolean)
0019ef68 6c4fc788 System.Threading.WaitHandle.WaitOne(Int32, Boolean)
0019ef7c 6e094e7e System.Windows.Forms.Control.WaitForWaitHandle(System.Threading.WaitHandle)
0019efbc 6e463b96 System.Windows.Forms.Control.MarshaledInvoke(System.Windows.Forms.Control, System.Delegate, System.Object[], Boolean)
0019efc0 6e09722b [InlinedCallFrame: 0019efc0] 
0019f044 6e09722b System.Windows.Forms.Control.Invoke(System.Delegate, System.Object[])
0019f078 6e318556 System.Windows.Forms.WindowsFormsSynchronizationContext.Send(System.Threading.SendOrPostCallback, System.Object)
0019f090 6eef65a8 Microsoft.Win32.SystemEvents+SystemEventInvokeInfo.Invoke(Boolean, System.Object[])
0019f0c4 6eff850c Microsoft.Win32.SystemEvents.RaiseEvent(Boolean, System.Object, System.Object[])
0019f110 6eddb134 Microsoft.Win32.SystemEvents.OnUserPreferenceChanged(Int32, IntPtr, IntPtr)
0019f130 6f01f0b0 Microsoft.Win32.SystemEvents.WindowProc(IntPtr, Int32, IntPtr, IntPtr)
0019f134 001cd246 [InlinedCallFrame: 0019f134] 
0019f2e4 001cd246 [InlinedCallFrame: 0019f2e4] 
0019f2e0 6dbaefdc DomainBoundILStubClass.IL_STUB_PInvoke(MSG ByRef)
0019f2e4 6db5e039 [InlinedCallFrame: 0019f2e4] System.Windows.Forms.UnsafeNativeMethods.DispatchMessageW(MSG ByRef)
0019f318 6db5e039 System.Windows.Forms.Application+ComponentManager.System.Windows.Forms.UnsafeNativeMethods.IMsoComponentManager.FPushMessageLoop(IntPtr, Int32, Int32)
0019f31c 6db5dc49 [InlinedCallFrame: 0019f31c] 
0019f3a4 6db5dc49 System.Windows.Forms.Application+ThreadContext.RunMessageLoopInner(Int32, System.Windows.Forms.ApplicationContext)
0019f3f4 6db5dac0 System.Windows.Forms.Application+ThreadContext.RunMessageLoop(Int32, System.Windows.Forms.ApplicationContext)
0019f420 6db4a7b1 System.Windows.Forms.Application.Run(System.Windows.Forms.Form)
0019f434 003504a3 xxx.Program.Main()
0019f5a8 6f191366 [GCFrame: 0019f5a8]

从调用栈上看，代码是由于 Microsoft.Win32.SystemEvents.OnUserPreferenceChanged 被触发，然后在 System.Windows.Forms.Control.WaitForWaitHandle处被卡死，从前者的名字上就能看到，OnUserPreferenceChanged（用户首选项） 是一个系统级别的 Microsoft.Win32.SystemEvents 事件，那到底是什么导致了这个系统事件被触发，为此我查了下资料，大概是说：如果应用程序的 Control 注册了这些系统级事件，那么当windows发出 WM_SYSCOLORCHANGE, WM_DISPLAYCHANGED, WM_THEMECHANGED（主题，首选项，界面显示）消息时，这些注册了系统级事件的 Control 的handle将会被执行，比如刷新自身。

觉得文字比较拗口的话，我试着画一张图来阐明一下。

从本质上来说，它就是一个观察者模式，但这和UI卡死没有半点关系，充其量就是解决问题前需要了解的背景知识，还有一个重要概念没有说，那就是： WindowsFormsSynchronizationContext 。

2. 理解 WindowsFormsSynchronizationContext

为什么一定要了解 WindowsFormsSynchronizationContext 呢？理解了它，你就搞明白了为什么会卡死，我们知道 winform 的UI线程是一个 STA 模型，它的一个特点就是单线程，其他线程想要更新Control，都需要调度到UI线程的Queue队列中，不存在也不允许并发更新Control的情况，参考如下：


0:000:x86> !t
ThreadCount:      207
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 206
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                         Lock  
       ID OSID ThreadOBJ    State GC Mode     GC Alloc Context  Domain   Count Apt Exception
   0    1 1d90 003e2430   2026020 Preemptive  00000000:00000000 003db8b8 0     STA 
   2    2 2804 003f0188     2b220 Preemptive  00000000:00000000 003db8b8 0     MTA (Finalizer)

Winform 还有一个特点：它会给那些创建 Control 的线程配一个 WindowsFormsSynchronizationContext 同步上下文，也就是说如果其他线程想要更新那个 Control，那就必须将更新的值通过 WindowsFormsSynchronizationContext 调度到那个创建它的线程上，这里的线程不仅仅是 UI 线程哦，有了这些基础知识后，再来分析下为什么会被卡死。

3. 卡死的真正原因

再重新看下主线程的调用栈，它的走势是这样的： OnUserPreferenceChanged -> WindowsFormsSynchronizationContext.Send -> Control.MarshaledInvoke -> WaitHandle.WaitOneNative ，哈哈，有看出什么问题吗？？？

眼尖的朋友会发现，为什么主线程会调用 WindowsFormsSynchronizationContext.Send 方法呢？难道那个注册 handler的 Control 不是由主线程创建的吗？要想回答这个问题，需要看一下 WindowsFormsSynchronizationContext 类的 destinationThreadRef 字段值，源码如下：


public sealed class WindowsFormsSynchronizationContext : SynchronizationContext, IDisposable
{
    private Control controlToSendTo;

    private WeakReference destinationThreadRef;
}

可以用 !dso 命令把线程栈上的 WindowsFormsSynchronizationContext 给找出来，简化输出如下：


0:000:x86> !dso
OS Thread Id: 0x1d90 (0)
ESP/REG  Object   Name
0019ED70 027e441c System.Windows.Forms.WindowsFormsSynchronizationContext
0019EDC8 112ee43c Microsoft.Win32.SafeHandles.SafeWaitHandle
0019F078 11098b74 System.Windows.Forms.WindowsFormsSynchronizationContext
0019F080 1107487c Microsoft.Win32.SystemEvents+SystemEventInvokeInfo
0019F08C 10fa386c System.Object[]    (System.Object[])
0019F090 1107487c Microsoft.Win32.SystemEvents+SystemEventInvokeInfo
0019F0AC 027ebf60 System.Object
0019F0C0 10fa386c System.Object[]    (System.Object[])
0019F0C8 027ebe3c System.Object
0019F0CC 10fa388c Microsoft.Win32.SystemEvents+SystemEventInvokeInfo[]
...

0:000:x86> !do 11098b74
Name:        System.Windows.Forms.WindowsFormsSynchronizationContext
Fields:
      MT    Field   Offset                 Type VT     Attr    Value Name
6dbd8f30  4002567        8 ...ows.Forms.Control  0 instance 11098c24 controlToSendTo
6c667c2c  4002568        c System.WeakReference  0 instance 11098b88 destinationThreadRef

0:000:x86> !do 11098b88
Name:        System.WeakReference
Fields:
      MT    Field   Offset                 Type VT     Attr    Value Name
6c66938c  4000705        4        System.IntPtr  1 instance  86e426c m_handle

0:000:x86> !do poi(86e426c)
Name:        System.Threading.Thread
Fields:
      MT    Field   Offset                 Type VT     Attr    Value Name
6c663cc4  40018a5       24         System.Int32  1 instance        2 m_Priority
6c663cc4  40018a6       28         System.Int32  1 instance        7 m_ManagedThreadId
6c66f3d8  40018a7       2c       System.Boolean  1 instance        1 m_ExecutionContextBelongsToOuterScope

果然不出所料, 从卦象上看 Thread=7 线程上有 Control 注册了系统事件，那 Thread=7 到底是什么线程呢？可以通过 !t 查看。


0:028:x86> !t
ThreadCount:      207
UnstartedThread:  0
BackgroundThread: 206
PendingThread:    0
DeadThread:       0
Hosted Runtime:   no
                                                                         Lock  
       ID OSID ThreadOBJ    State GC Mode     GC Alloc Context  Domain   Count Apt Exception
   0    1 1d90 003e2430   2026020 Preemptive  00000000:00000000 003db8b8 0     STA 
   2    2 2804 003f0188     2b220 Preemptive  00000000:00000000 003db8b8 0     MTA (Finalizer) 
  28    7 27f0 0b29cd30   3029220 Preemptive  00000000:00000000 003db8b8 0     MTA (Threadpool Worker)

从卦象上看： ID=7 是一个线程池线程，而且是 MTA 模式，按理说它应该将创建控件的逻辑调度给UI线程，而不是自己创建，所以UI线程一直在 WaitOneNative 处等待 7号线程消息泵响应，所以导致了无限期等待。

4. 7号线程到底创建了什么控件

这又是一个考验底层知识的问题，也困扰着我至今，太难了，我曾今尝试着把 UserPreferenceChangedEventHandler 事件上的所有 handles 捞出来，写了一个脚本大概如下：


"use strict";

// 32bit
let arr = ["xxxx"];

function initializeScript() { return [new host.apiVersionSupport(1, 7)]; }
function log(str) { host.diagnostics.debugLog(str + "\n"); }
function exec(str) { return host.namespace.Debugger.Utility.Control.ExecuteCommand(str); }

function invokeScript() {

    for (var address of arr) {
        var commandText = ".printf \"%04x\", poi(poi(poi(poi(" + address + "+0x4)+0xc)+0x4))";
        var output = exec(commandText).First();

        if (parseInt(output) == 0) continue; //not exists thread info

        commandText = ".printf \"%04x\", poi(poi(poi(poi(poi(" + address + "+0x4)+0xc)+0x4))+0x28)";
        output = exec(commandText).First();

        //thread id
        var tid = parseInt(output);

        if (tid > 1) log("Thread=" + tid + ",systemEventInvokeInfo=" + address);
    }
}

输出结果：


||2:2:438>     !wow64exts.sw
Switched to Guest (WoW) mode
Thread=7,systemEventInvokeInfo=1107487c

从输出中找到了 7号线程 对应的处理事件 systemEventInvokeInfo ，然后对其追查如下：


0:028:x86> !do 1107487c
Name:        Microsoft.Win32.SystemEvents+SystemEventInvokeInfo
Fields:
      MT    Field   Offset                 Type VT     Attr    Value Name
6c65ae34  4002e9f        4 ...ronizationContext  0 instance 11098b74 _syncContext
6c6635ac  4002ea0        8      System.Delegate  0 instance 1107485c _delegate

0:028:x86> !DumpObj /d 1107485c
Name:        Microsoft.Win32.UserPreferenceChangedEventHandler
Fields:
      MT    Field   Offset                 Type VT     Attr    Value Name
6c66211c  40002b0        4        System.Object  0 instance 110747bc _target
6c66211c  40002b1        8        System.Object  0 instance 00000000 _methodBase
6c66938c  40002b2        c        System.IntPtr  1 instance  6ebdc00 _methodPtr
6c66938c  40002b3       10        System.IntPtr  1 instance        0 _methodPtrAux
6c66211c  40002bd       14        System.Object  0 instance 00000000 _invocationList
6c66938c  40002be       18        System.IntPtr  1 instance        0 _invocationCount

0:028:x86> !DumpObj /d 110747bc
Name:        DevExpress.LookAndFeel.Design.UserLookAndFeelDefault

从输出中可以看到，最后的控件是 DevExpress.LookAndFeel.Design.UserLookAndFeelDefault ，我以为找到了答案，拿着这个结果去 google，结果 devExpress 踢皮球，截图如下：

咳，到这里貌似就查不下去了，有其他资料上说 Control 在跨线程注册 handler 时会经过 MarshalingControl ，所以在这个控件设置bp断点是能够抓到的，参考命令如下：


bp xxx ".echo MarshalingControl creation detected. Callstack follows.;!clrstack;.echo

这里我就没法验证了。

虽然知道这三起事故都是由于非UI线程创建Control所致，但很遗憾的是我尽了最大的知识边界还没有找到最重要的罪魁祸首，不过值得开心的是基于现有线索有一位朋友终于找到了问题代码，真替他开心???，解决办法也很简单，将 创建控件 通过 Invoke 调度到 UI线程执行。截图如下：

通过这个案例，我发现高级调试真的是一场苦行之旅，且调且珍惜！

1. 讲故事

二： Windbg 分析

1. 程序现象

2. 理解 WindowsFormsSynchronizationContext

3. 卡死的真正原因

4. 7号线程到底创建了什么控件

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